適用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的養(yǎng)殖過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)

邢博聞，楊柳，孫青

（上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 202010）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代漁業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，與人民生活息息相關(guān)。漁業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷改革創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，但是同時(shí)帶來(lái)了一系列環(huán)境問(wèn)題。傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)存在著水域環(huán)境惡化、養(yǎng)殖設(shè)施陳舊、養(yǎng)殖災(zāi)害頻發(fā)等問(wèn)題，導(dǎo)致水產(chǎn)品質(zhì)量安全隱患增多，水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展與資源、環(huán)境的矛盾不斷加劇[1]。而且傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式單一，以分散養(yǎng)殖為主，可復(fù)制性差，環(huán)境污染大，不確定性大。因此，改造提升傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，大力發(fā)展生態(tài)養(yǎng)殖模式至關(guān)重要。

伴隨現(xiàn)代漁業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，需要越來(lái)越完善的設(shè)備來(lái)保持良好的養(yǎng)殖水質(zhì)[2]。當(dāng)把魚(yú)放入池內(nèi)時(shí)，魚(yú)產(chǎn)生的排泄物，加上過(guò)量地投食餌料，產(chǎn)生的氨氮物質(zhì)集聚池內(nèi)，就會(huì)污染池內(nèi)環(huán)境，魚(yú)類餌料和排泄物等大顆粒雜質(zhì)會(huì)加速水質(zhì)惡化；而養(yǎng)殖水中氨氮過(guò)量會(huì)給水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來(lái)諸多危害。當(dāng)氨（NH3）通過(guò)鰓進(jìn)入水生生物體內(nèi)時(shí)，會(huì)直接增加水生生物氨氮排泄的負(fù)擔(dān)，氨氮在血液中的濃度升高，血液pH 隨之上升，水生生物體內(nèi)的多種酶活性受到抑制，血液的輸氧能力降低，鰓表皮組織被破壞，水生生物因氧氣和廢物交換不暢而出現(xiàn)窒息。此外，水中氨濃度高也影響水對(duì)水生生物的滲透性，降低生物體內(nèi)部離子濃度。

顯然，及時(shí)控制養(yǎng)殖水中的氨氮含量和過(guò)濾大顆粒雜質(zhì)十分重要，但是目前的一些過(guò)濾裝置只能過(guò)濾水中較大的顆粒物質(zhì)，或者用于過(guò)濾氨氮物質(zhì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不能循環(huán)利用，維護(hù)頻繁、成本高，因此開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、可重復(fù)利用的循環(huán)淺水養(yǎng)殖系統(tǒng)的生物過(guò)濾裝置，持續(xù)吸收氨氮和過(guò)濾普通大顆粒的雜質(zhì)是至關(guān)重要的。

2 硬件設(shè)計(jì)

該養(yǎng)殖過(guò)濾裝置通過(guò)內(nèi)置水生植物的翅形網(wǎng)箱對(duì)養(yǎng)殖池塘水中的氨氮和普通大顆粒的雜質(zhì)進(jìn)行持續(xù)的吸收和過(guò)濾，增加水中含氧量，水生植物生長(zhǎng)好，同時(shí)，通過(guò)氨氮檢測(cè)傳感器持續(xù)獲得水中氨氮含量，并據(jù)此控制滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而精準(zhǔn)控制養(yǎng)殖池塘中的氨氮含量。另外，該發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、成本低廉、自動(dòng)控制精確，減少無(wú)用功，可對(duì)不同氨氮污染程度的水體進(jìn)行凈化處理，適于各種淺水水產(chǎn)品養(yǎng)殖，具有顯著的進(jìn)步性和實(shí)用價(jià)值。

2.1 總體設(shè)計(jì)

適用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)的循環(huán)淺水養(yǎng)殖系統(tǒng)的養(yǎng)殖過(guò)濾裝置，在外觀設(shè)計(jì)上包括：養(yǎng)殖池塘、隔墻、過(guò)濾機(jī)構(gòu)、沖刷槽和支撐架。如圖1 所示，養(yǎng)殖池塘隔成呈環(huán)形跑道式設(shè)置，沿長(zhǎng)度方向設(shè)有隔墻，使得養(yǎng)殖池溏內(nèi)的水沿環(huán)形跑道循環(huán)流動(dòng)。沖刷槽與養(yǎng)殖池塘獨(dú)立并相鄰設(shè)置，過(guò)濾機(jī)構(gòu)通過(guò)支撐架跨裝在沖刷槽和養(yǎng)殖池塘上，養(yǎng)殖池塘內(nèi)的水具有一定流速并流經(jīng)垂直于水中的過(guò)濾裝置的網(wǎng)箱。過(guò)濾裝置的寬度與養(yǎng)殖池溏的寬度相匹配，養(yǎng)殖池塘的水通過(guò)吹水機(jī)控制進(jìn)水速度，流過(guò)過(guò)濾裝置，增加水中的含氧量。

圖1 總體設(shè)計(jì)

2.2 過(guò)濾裝置

過(guò)濾裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2 所示，過(guò)濾裝置包括支撐架、滾軸和4 個(gè)翅形網(wǎng)箱，考慮到支撐架的穩(wěn)固性和適配性，支撐架為以一橫邊作為支撐底邊的三角形支架，兩個(gè)氨氮檢測(cè)傳感器分別安裝在三角支架的兩側(cè)邊上并且沒(méi)入水中，數(shù)據(jù)傳輸模塊安裝在三角支架的任一側(cè)邊上，采用三角形支架減少了占用的空間，同時(shí)，便于與養(yǎng)殖池塘側(cè)壁相結(jié)合。滾軸上設(shè)有軸向設(shè)置的滑道，翅形網(wǎng)箱上設(shè)有與滑道相配合的滑軌，翅形網(wǎng)箱通過(guò)滑軌與滑道相契合來(lái)固定在滾軸上。滾軸兩端分別通過(guò)支撐架跨裝在沖刷槽和養(yǎng)殖池塘上，4 個(gè)翅形網(wǎng)箱呈“十字”狀連接在滾軸上并且可隨著滾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，滾軸在軸向方向上分別與翅形網(wǎng)箱可滑動(dòng)連接,養(yǎng)殖池塘內(nèi)的水具有一定流速并流經(jīng)垂直于水中的所述翅形網(wǎng)箱，翅形網(wǎng)箱內(nèi)設(shè)有可吸收氨氮的水生植物。當(dāng)氨氮過(guò)濾效果不好時(shí)，滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以更換用于水中過(guò)濾的翅形網(wǎng)箱，使得垂直于養(yǎng)殖池塘水中的翅形網(wǎng)箱翻轉(zhuǎn)至水平位置后沿滾軸滑動(dòng)至沖刷槽處進(jìn)行刷洗，同時(shí)，原本位于水平位置的翅形網(wǎng)箱翻轉(zhuǎn)至垂直于養(yǎng)殖池塘中的水流，繼續(xù)對(duì)養(yǎng)殖池塘內(nèi)的流動(dòng)水進(jìn)行過(guò)濾。

圖2 過(guò)濾裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.3 主控模塊

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，該裝置采用PLC 來(lái)控制電機(jī)，PLC 型號(hào)為三菱FX1N-24MR-001。過(guò)濾裝置的滾軸一端與PLC 控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接，通過(guò)PLC 控制電機(jī)帶動(dòng)滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)翅形網(wǎng)箱圍繞滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，還通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊分別與氨氮檢測(cè)傳感器、PLC 控制電機(jī)通訊連接，通訊連接采用4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與氨氮檢測(cè)傳感器、PLC 控制電機(jī)的信息遠(yuǎn)程傳輸。該過(guò)濾裝置的生物過(guò)濾控制方法具體包括如下步驟：

（1）進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置。

（2）獲取兩個(gè)氨氮檢測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)信息與預(yù)設(shè)氨氮含量值和預(yù)設(shè)氨氮含量差值進(jìn)行比較。

（3）當(dāng)測(cè)得的數(shù)據(jù)信息皆大于預(yù)設(shè)氨氮含量值和預(yù)設(shè)氨氮含量差值時(shí)，進(jìn)入步驟（4）；否則，進(jìn)入步驟（2）。

（4）PLC 電機(jī)控制滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)90°，則翅形網(wǎng)箱隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，使得垂直于養(yǎng)殖池塘水流的翅形網(wǎng)箱翻轉(zhuǎn)至水平位置。同時(shí)，原本位于水平位置的翅形網(wǎng)箱翻轉(zhuǎn)至垂直于養(yǎng)殖池塘水流，繼續(xù)對(duì)養(yǎng)殖池塘內(nèi)的流動(dòng)水進(jìn)行過(guò)濾。

（5）處于水平位置的翅形網(wǎng)箱平移到?jīng)_刷槽處進(jìn)行沖刷。

（6）若翅形網(wǎng)箱到達(dá)沖刷槽處，開(kāi)始沖刷翅形網(wǎng)箱，并將沖刷完成后的翅形網(wǎng)箱平移至原處，進(jìn)入步驟（2）；否則，進(jìn)入步驟（5）。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 Gx Developer 軟件簡(jiǎn)介

Gx Developer 是用來(lái)對(duì)三菱公司的PLC 進(jìn)行program 的創(chuàng)建、編輯、監(jiān)控、檢測(cè)、更改以及I/O 分配、特殊模組、CC-LINK 與網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置、程式仿真的軟件。在該軟件中，程式文件是以一個(gè)工程文件方式來(lái)建立的，所以所有的步驟都是對(duì)工程文件進(jìn)行操作。經(jīng)過(guò)Gx Developer 軟件的程式建立、編輯，各種模組使用參數(shù)設(shè)置，如連線設(shè)置、數(shù)據(jù)傳送、在線仿真等功能。

3.2 梯形圖程序簡(jiǎn)介

梯形圖是一種從繼電接觸控制電路圖演變而來(lái)的圖形語(yǔ)言。它是借助類似于繼電器的動(dòng)合、動(dòng)斷觸點(diǎn)、線圈以及串聯(lián)并聯(lián)等術(shù)語(yǔ)和符號(hào)，根據(jù)控制要求連接而成的表示PLC 輸入和輸出之間邏輯關(guān)系的圖形，直觀易懂[3]。

梯形圖中常用圖形符號(hào)分別表示PLC 編程元件的動(dòng)合和動(dòng)斷觸點(diǎn)，用“ ”符號(hào)來(lái)表示他們的線圈。梯形圖中編程元件的種類用圖形符號(hào)及標(biāo)注的字母或數(shù)加以區(qū)別。觸點(diǎn)和線圈等組成獨(dú)立電路稱為網(wǎng)絡(luò)，用編程軟件生成的梯形圖和語(yǔ)句表程序中有網(wǎng)絡(luò)編號(hào)，語(yǔ)序以網(wǎng)絡(luò)為單位給梯形圖加注釋[4]。

梯形圖的設(shè)計(jì)應(yīng)該注意到梯形圖從左到右、自上而下的順序排列，每一行邏輯（或稱梯級(jí)）起始于左母線，然后是觸點(diǎn)的串、并聯(lián)連接，最后是線圈。梯形圖中每個(gè)梯級(jí)流過(guò)的不是物理電流，而是“概念電流”，從左向右，其兩端沒(méi)有電源[4]。梯形圖示例如圖3 所示。

圖3 梯形圖程序示例

4 結(jié)語(yǔ)

適用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)的循環(huán)淺水養(yǎng)殖系統(tǒng)的養(yǎng)殖過(guò)濾裝置通過(guò)內(nèi)置水生植物的翅形網(wǎng)箱持續(xù)吸收氨氮和過(guò)濾雜質(zhì)，增加池塘中水的含氧量，通過(guò)氨氮檢測(cè)傳感器持續(xù)獲得水中氨氮含量以控制滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，氨氮含量控制精準(zhǔn)，適用于各種淺水養(yǎng)殖，清理不同污染程度的氨氮。該裝置采用PLC 作為硬件控制平臺(tái)，當(dāng)安裝在支架兩側(cè)邊上的氨氮傳感器所測(cè)的數(shù)據(jù)比預(yù)設(shè)的氨氮含量值和氨氮含量差值皆大的時(shí)候，通訊模塊將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，然后PLC 控制滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將翅形網(wǎng)箱翻轉(zhuǎn)90°，原本位于水平位置的翅形網(wǎng)箱翻轉(zhuǎn)至垂直位置，原本位于垂直位置的翅形網(wǎng)箱翻轉(zhuǎn)至水平位置。之后處于水平位置的翅形網(wǎng)箱平移到?jīng)_刷槽進(jìn)行沖洗，沖洗干凈后平移到原位。

該文以PLC 作為設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)，以Gx Developer 為軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了適用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)的循環(huán)淺水養(yǎng)殖系統(tǒng)的生物過(guò)濾裝置，且完成了循環(huán)淺水養(yǎng)殖系統(tǒng)中過(guò)濾裝置控制系統(tǒng)的各個(gè)任務(wù)功能要求，滿足了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、可重復(fù)利用以及可持續(xù)吸收氨氮和過(guò)濾普通大顆粒的雜質(zhì)的要求，并根據(jù)實(shí)際要求對(duì)一些硬件設(shè)施進(jìn)行了調(diào)試。